變電站外排雨水智慧控制裝置的設計與開發

周 元 李求飛 李明明

（中電環保股份有限公司）

通常，變電站遠離城郊建設，雨季來臨時若變電站長期有大量雨水積聚，則容易引起變電站設備故障， 需要工作人員經常到現場巡檢和清理。 若變電站設備發生故障，不能及時處理，會導致含油雨水外排至附近農田或河道中，對農作物或河道產生污染，破壞生態平衡。 為解決上述問題， 筆者設計了一款500 kV 及以上變電站外排雨水智慧控制裝置，以實現遠離城郊變電站就地無人值守、遠程集中監控、故障預見性分析、遠程集中智慧水務管理，達到節省人力物力的目的。

1 裝置構成及工作流程

變電站外排雨水一體化裝置一般置于地下3.5 m 或更深處。 裝置內部由固液分離池、油水分離池、隔油池、電動閘門、油泵、抓斗及過水通道等組成，池體間由隔離板劃分，過水通道進水端與固液分離池連通， 出水端與裝置出口連通，固液分離池底部連通進水管， 格柵管與進水管連接，固液分離池和油水分離池底部設置傾斜角度為30°的污泥斗， 防止固體顆粒溢流進入斜板池造成阻塞。

變電站外排雨水一體化裝置的工作流程如圖1 所示。 變電站外排雨水一體化裝置進水母管和處理后排水母管各設置一臺在線油檢測儀，固液分離池、油水分離池、隔油池分別設置在線液位計，控制器通過檢測來水中油含量值來判斷是否需要進行油水隔油處理，通過檢測出水總管油含量值來判斷是否可以達標排放，通過檢測油水分離池和隔油池的液位來控制泵的啟停或抓斗的升降等。

圖1 變電站外排雨水一體化裝置工作流程

2 主體設計

變電站外排雨水智慧控制裝置設置了一臺控制柜， 控制柜內配置PLC 控制設備、 觸摸屏（HMI） 監控設備、 監控安防設備、 智能網關（FBOX）和若干電氣元器件。 通過控制柜內搭建的電氣一、二次控制回路，組態PLC 控制器邏輯控制程序和觸摸屏HMI 操作畫面，實現對外排雨水一體化裝置內所有被控對象的軟手操、自動程序聯鎖控制及監控，具體包括水泵、抓斗的啟停控制，閥門的開關操作，液位、油分析儀等工藝參數的監視等。 當油含量超過設定值，裝置自動聯鎖關進口閘板閥；固液分離池、油水分離池、隔油池任一池體液位高， 則自動聯鎖關進口閘板閥；通過檢測油水分離器、隔油池的液位控制油泵的高開低停。安裝在現場的攝像頭24 h 連續監測控制柜區域、變電站外排雨水一體化裝置周圍環境和設備的運行狀況， 并上傳給硬盤錄像機（NVR）， 實現視頻的錄像、 存儲和轉發。 同時，PLC、HMI、NVR 通過網線連接到交換機， 交換機通過網線與FBOX 組網并進行相關程序設置，完成PLC、HMI 監測數據的處理并發布到互聯網云服務器中。 中央控制中心或其他地點的計算機或手機終端只需安裝相應的軟件及智能終端APP，便可隨時上網查看分布在各現場的變電站外排雨水一體化裝置的儀表實時運行數據，泵、自動閥等設備的運行狀態和報警信息，并可以遠程聯網進行上下位機程序的組態和調試，實現智慧水務管理功能。

2.1 工程硬件

工程硬件配置如圖2 所示。 控制裝置主要由一臺10 英寸觸摸屏、 一套S7-1200 系列PLC、一臺下行4 電口交換機、一臺上行8 電口2 光口帶VPN 功能的交換機、若干攝像頭、一臺NVR、一套FBOX、一套電氣設備及電纜等輔助材料組成。

圖2 主要硬件配置

攝像頭安裝于外排雨水一體化裝置附近，攝像頭通過6 類雙絞線連接到下行交換機1， 下行交換機1 上行口通過6 類雙絞線連接到NVR，NVR 對采集的視頻信號進行管理、 存儲。 NVR、PLC、HMI 通過6 類雙絞線與交換機2 連接，現場儀表、自動閥、接觸器及熱繼電器等通過硬接線連接到控制柜接線端子，S7-1200 控制系統模擬量輸入卡件（AI）、數字量輸入卡件（DI）采集現場設備信號并處理，經過CPU 運算、邏輯程序處理后，通過模擬量輸出卡件（AO）、數字量輸出卡件（DO）輸出，執行電機、抓斗的啟停以及自動閥的開關和調節。 在HMI 中組態工藝流程圖畫面，定義PLC 數據變量，設置報警、報表數據等，下載到PLC 和HMI，通過網絡組態并設置，實現現場設備數據的采集、處理、監測、控制、追蹤及查詢等，同時PLC、HMI 中的數據通過智能網關或交換機2 連接到工業互聯網，進行數據交換和傳輸，實現大數據共享和管理。

2.2 工程軟件

為滿足變電站外排雨水一體化裝置分散布置、無人值守的自動運營需求，軟件設計綜合考慮了操作簡易性、自動化程度、通信開放性、適應性、擴展能力及經濟運行等方面。 PLC 采用最新博圖軟件， 觸摸屏采用EasyBuilder Pro 圖控軟件， 第三方設備智能網關采用FSTOOLS 軟件，PLC 通過集成的PROFINET 物理接口與觸摸屏連接，通信協議采用工業以太網協議。 PLC 控制器帶集成的輸入、輸出模塊，具有輸入濾波器、過程報警及脈沖捕獲等功能，同時控制器集成高速計數器（HSC）和脈沖發生器（PTO/PWM），具有時間同步功能。

工程軟件設計上采用軟件濾波、 軟件容錯、脈沖捕獲和過程報警技術，一般故障信號提示并通過程序自動處理（如電動門、泵、抓斗故障過載等）；重要故障報警提醒并聯鎖保護（如水池液位與出口泵的高開、低停，低液位報警，進水、出水油含量超標開泵關閥控制，各池體液位高低開關泵、閥控制等）。 上位機監控程序設計時，對一些重要參數、重要操作進行操作跟蹤、歷史趨勢和報警記錄，實現故障的追溯和分析，查明故障原因，方便用戶分析并總結經驗，避免故障重復出現，同時對重要操作設置相應的權限保護，避免非正常用戶操作。

控制裝置支持遠程程序下載和監控，遠程控制開停機，支持VPN 一鍵連接，支持電腦客戶端、手機APP 和網頁遠程數據監測，并可推送報警信息至移動APP，也可配置手機短信推送和微信推送，支持監控點的歷史數據采集、記錄，支持列表曲線數據的展示和常用統計分析。

2.2.1 PLC 控制邏輯結構

變電站外排雨水智慧控制裝置的控制程序可分為進水區油含量超標聯鎖控制、出水區油含量超標報警并聯鎖控制，各池體液位高、低報警并聯鎖控制、 隔油填料污染報警并聯鎖控制等，各控制邏輯既相互獨立又相互關聯，最終實現變電站外排雨水一體化裝置自動無人值守控制。 主要控制邏輯如圖3 所示。

圖3 PLC 主要控制邏輯

2.2.2 下位機程序軟件

下位機編程軟件采用TIA Portal V17， 利用簡單易懂的梯形圖語言LAD 編寫控制邏輯程序，并根據實際控制需要，對程序段、變量標簽進行詳細、科學的規劃，規范變量標簽名，對實現同一功能的不同設備的程序組態為功能塊（如電動機控制、電動門控制等），通過主程序調用功能塊和子程序實現不同設備的控制功能。

2.2.3 上位機監控軟件

上位機控制軟件采用EasyBuilder Pro 圖控軟件，該軟件是一個友好、開放且可擴展的HMI，擁有豐富的向量圖庫、圖形庫、聲音庫和地址標簽庫，具有強大的宏指令編輯功能，可以快速設計出豐富的工程內容、設置不同的操作或報警狀態、設置多層安全性控制。 該人機界面可實現的功能如下：

a. 數據處理。 通過高性能高速I/O 驅動程序完成與PLC 的硬件通信、錯誤幀檢測、信號調節；通過以太網口HMI 通信，動態存取網絡鏈路上對方的資料；通過以太網口HMI 口可操作連接其他HMI 上的裝置， 可對HMI 與連接在HMI 上的裝置進行遠程監控與故障排除。

b. 顯示。 通過EasyBuilder Pro 圖控軟件可以繪制GIF 系統流程圖畫面，顯示主要設備的運行狀態、主要測量參數的實時數值和報警數值以及主要參數的動態圖、歷史趨勢圖等。

c. 監控。 根據工藝設備運行需要，操作人員可以在就地控制箱觸摸屏上修改控制值、調整工藝控制參數，并可通過編寫腳本禁止一些非法操作，從而保護現場設備。

d. 報警。 可以提供工藝設備運行中出現的運行狀態、故障等，并根據需要對一些重要參數進行趨勢顯示和聲光報警， 以引起操作人員注意。

e. 報表。 通過歷史資料，根據實際需要建立重要參數的EXCEL 電子表格， 可以觸發實現報表功能，并根據需要定期打印數據報表，也可保存歷史數據以便優化系統控制、跟蹤事故發生原因以便處理故障。

f. 安全管理。 用戶可根據自己的需求設置多級密碼（最多可以設置7 級），防止非法操作。

g. 網絡連接開放。 可以通過可選的OPC 協議實現與上級的數據上傳，為生產調度系統提供實時數據，供高層管理。

2.3 網絡通信

控制系統上位機監控軟件EasyBuilder Pro 和S7-1200 系列PLC 的TIA Portal V17 軟件之間采用標準TCP/IP 協議加上應用層的RPC/DCOM 來完成節點間的通信和網絡尋址［1］，實現上下位機間的數據交換，具體數據交換鏈路如圖4 所示。

圖4 PLC 和觸摸屏數據交換鏈路

控制系統基于4G/5G 網， 通過帶VPN 功能的交換機或智能網關接入網絡云平臺，與上級遠程智慧水務管理系統連網，建立一套基于公共互聯網絡的上級智能監控、管理平臺，實現多套油水分離一體化裝置的設備入網通信、 數據傳輸、云計算及遠程運維等功能。 該系統可以遠程監控各變電站外排雨水一體化裝置的實時運行狀態，監測液位、油分析儀等儀表的實時數據，實時監視設備周圍環境狀況；可以遠程下載程序并監控設備；可以遠程開、停設備，減少運維人員的投入，實現實時、高效、安全規范的集中管理。 遠程智慧水務管理網絡如圖5 所示。

圖5 遠程智慧水務管理網絡

3 應用效果

筆者設計開發的變電站外排雨水智慧控制裝置， 在多套500 kV 及以上變電站外排雨水一體化裝置上配套使用，從運行效果來看：

a. 節省施工費用。變電站外排雨水智慧控制裝置可以提前批量生產，控制程序固化并撬裝到現場， 現場只需接一根供電電纜即可投入使用，不需要專業技術人員到現場安裝指導，普通維護人員經過半天培訓就可以進行正常的操作和維護。

b. 無人值守。變電站外排雨水一體化裝置正常投運后，現場不需要配置操作人員，維保人員在上級控制中心或手機APP 即可實時監測多個現場設備的運行狀態和周圍環境狀況，根據實時讀取的數據、設備運行曲線及歷史報表等進行數據統計分析，做出預見性維護，從而減少人力的投入。

c. 減少環境污染。通過工業物聯網引入控制系統，實現遠程數據實時采集，可以實時監測并自動控制含油雨水達標排放，減少了因含油雨水無法及時排放而對周圍水體、土壤環境造成污染進而造成動植物減產的損失。

4 結束語

筆者設計開發的500 kV 及以上變電站外排雨水智慧控制裝置具有較強的模擬量、數字量處理能力和邏輯運算能力，網絡架構簡單，數據通信可靠，操作簡單、界面友好，接口標配，即插即用，安全可靠，日常運行維護量少。 該控制裝置能夠很好地滿足小型一體設備控制需要，值得在油水分離裝置、 類似的變電站外排雨水一體化裝置、一體化污水處理裝置中應用和推廣。